JP2008034138A - Direct methanol type fuel cell and methanol concentration adjusting method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料としてのメタノールを直接供給することで発電可能な直接メタノール形燃料電池に関する。 The present invention relates to a direct methanol fuel cell capable of generating electricity by directly supplying methanol as a fuel.
固体高分子電解質型燃料電池は、パーフルオロスルホン酸膜等の固体電解質膜を電解質とし、この膜の両面に燃料極及び酸化剤極を接合して構成され、アノードに水素やメタノール、カソードに酸素を供給して電気化学反応により発電する装置である。このうち、メタノールを燃料とする固体高分子電解質型燃料電池は、「直接メタノール形燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)」と呼ばれ、各電極で生じる電気化学反応は、アノードでは、メタノールを用いた場合、
CH3OH + H2O → 6H+ + CO2 + 6e− …[1]
であり、また、カソードでは、
3/2O2 + 6H+ + 6e− → 3H2O …[2]
である。この反応を起こすために、両電極は、触媒物質が担持された炭素微粒子と固体高分子電解質との混合体により構成されている。
A solid polymer electrolyte fuel cell has a solid electrolyte membrane such as a perfluorosulfonic acid membrane as an electrolyte, and a fuel electrode and an oxidant electrode are joined to both sides of the membrane. Hydrogen or methanol is used for the anode and oxygen is used for the cathode. Is a device that generates electricity through an electrochemical reaction. Among these, solid polymer electrolyte fuel cells that use methanol as fuel are called “direct methanol fuel cells (DMFC)”. The electrochemical reaction that occurs at each electrode causes methanol to be used at the anode. If used,
CH 3 OH + H 2 O → 6H + + CO 2 + 6e − ... [1]
And at the cathode,
3 / 2O 2 + 6H + + 6e − → 3H 2 O ... [2]
It is. In order to cause this reaction, both electrodes are composed of a mixture of carbon fine particles carrying a catalyst substance and a solid polymer electrolyte.
このような直接メタノール形燃料電池において、アノードに供給されたメタノールは、電極中の細孔を通過して触媒に達し、触媒によりメタノールが分解されて、上記反応式[1]の反応で電子と水素イオンとを生成する。水素イオンは、アノード中の電解質及び両電極間の固体電解質膜を通ってカソードに達し、カソードに供給された酸素及び外部回路より流れ込む電子と反応して、上記反応式[2]のように水を生じる。一方、メタノールより放出された電子は、アノード中の触媒担体を通って外部回路へ導き出され、外部回路よりカソードに流れ込む。この結果、外部回路ではアノードからカソードへ向かって電子が流れ電力が取り出される。 In such a direct methanol fuel cell, the methanol supplied to the anode passes through the pores in the electrode and reaches the catalyst. The methanol is decomposed by the catalyst, and the electrons in the reaction of the above reaction formula [1]. To generate hydrogen ions. The hydrogen ions reach the cathode through the electrolyte in the anode and the solid electrolyte membrane between the two electrodes, react with oxygen supplied to the cathode and electrons flowing from the external circuit, and water as shown in the above reaction formula [2]. Produce. On the other hand, electrons released from methanol are led to the external circuit through the catalyst carrier in the anode, and flow into the cathode from the external circuit. As a result, in the external circuit, electrons flow from the anode to the cathode and electric power is taken out.
このメタノールを燃料とする直接メタノール形燃料電池は、携帯用小型燃料電池として適用できる可能性が高く、近年、携帯用コンピューターや携帯電話等の次世代二次電池として開発が活発化してきている。 This direct methanol fuel cell using methanol as a fuel is highly likely to be applied as a portable small fuel cell, and in recent years, development has been activated as a next-generation secondary battery such as a portable computer or a cellular phone.
直接メタノール形燃料電池では、燃料電池セルに供給するメタノール水溶液の濃度が、直接メタノール形燃料電池からの出力に影響することが知られている。例えば、メタノール濃度が高すぎると、燃料極から空気極にメタノールが透過する「クロスオーバー現象」が生じ、空気極にてメタノールの酸化反応が生じ、直接メタノール形燃料電池の出力電力が低下してしまうおそれがある。また、メタノール濃度が低すぎると、燃料極で発生するプロトン量が少なくなり、直接メタノール形燃料電池の出力電力が低下してしまうおそれがある。このように、直接メタノール形燃料電池においては、燃料電池の発電性能を低下させることのない適正濃度のメタノール水溶液を安定的に燃料極に供給することが必要となる。 In the direct methanol fuel cell, it is known that the concentration of the aqueous methanol solution supplied to the fuel cell affects the output from the direct methanol fuel cell. For example, if the methanol concentration is too high, a “crossover phenomenon” occurs in which methanol permeates from the fuel electrode to the air electrode, methanol oxidation occurs at the air electrode, and the output power of the direct methanol fuel cell decreases. There is a risk that. On the other hand, if the methanol concentration is too low, the amount of protons generated at the fuel electrode decreases, and the output power of the direct methanol fuel cell may be reduced. Thus, in a direct methanol fuel cell, it is necessary to stably supply an aqueous methanol solution with an appropriate concentration to the fuel electrode without reducing the power generation performance of the fuel cell.
一般に、携帯機器用燃料電池においては、燃料電池の小型化が要求されるため、燃料電池の体積を削減することを目的として、燃料電池における適正濃度よりも高濃度のメタノール水溶液を燃料として使用することが望まれている。そのため、燃料のメタノール濃度を調整する方法として、高濃度メタノール燃料と水とを混合する方法が提案されている。 In general, since fuel cells for portable devices are required to be miniaturized, an aqueous methanol solution having a concentration higher than the appropriate concentration in the fuel cell is used as fuel for the purpose of reducing the volume of the fuel cell. It is hoped that. Therefore, as a method for adjusting the methanol concentration of the fuel, a method of mixing a high concentration methanol fuel and water has been proposed.
しかしながら、上記方法では、高濃度メタノール燃料と水とを混合する濃度調整槽と、濃度調整槽内のメタノール濃度を測定する濃度センサと、高濃度メタノール燃料と水との流量をそれぞれ調整できるポンプ2台と、これらのポンプの駆動を制御する制御装置とが必要であり、燃料電池装置のコストが高くなるとともに、燃料電池装置の大きさが大きくなってしまうという問題があった。また、メタノール水溶液の濃度を、燃料電池の発電性能を最大限発揮し得る適正な濃度に調整するために、制御装置による制御をシビアに行う必要があるという問題があった。
However, in the above method, the concentration adjusting tank for mixing the high concentration methanol fuel and water, the concentration sensor for measuring the methanol concentration in the concentration adjusting tank, and the
本発明は、このような実状に鑑みてなされたものであり、燃料電池に供給されるメタノールの濃度を、当該燃料電池の発電性能を最大限発揮し得る適正な濃度に容易に調整することのできる直接メタノール形燃料電池、及び当該直接メタノール形燃料電池におけるメタノール濃度調整方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and it is easy to adjust the concentration of methanol supplied to a fuel cell to an appropriate concentration that can maximize the power generation performance of the fuel cell. It is an object of the present invention to provide a direct methanol fuel cell that can be used and a method for adjusting the methanol concentration in the direct methanol fuel cell.
上記課題を解決するために、本発明は、燃料電池本体と、メタノール水溶液の濃度を調整する濃度調整部とを備え、メタノール水溶液を前記濃度調整部に導入することにより、当該メタノール水溶液の濃度の調整が可能であることを特徴とする直接メタノール形燃料電池を提供する(請求項1)。 In order to solve the above problems, the present invention includes a fuel cell main body and a concentration adjusting unit that adjusts the concentration of the aqueous methanol solution. By introducing the aqueous methanol solution into the concentration adjusting unit, the concentration of the aqueous methanol solution is increased. A direct methanol fuel cell is provided that can be adjusted (claim 1).
上記発明(請求項1)によれば、メタノール水溶液を濃度調整部に導入し、接触させるだけで、メタノール水溶液のメタノール濃度を、燃料電池から適正な出力電力を得ることのできる濃度に容易に調整することができるとともに、メタノール濃度を調整するための制御装置等を備える必要がないため、直接メタノール形燃料電池の構成を簡単にすることができる。 According to the above invention (invention 1), the methanol concentration of the methanol aqueous solution can be easily adjusted to a concentration at which appropriate output power can be obtained from the fuel cell simply by introducing the methanol aqueous solution into the concentration adjusting unit and bringing it into contact with the concentration adjusting unit. In addition, since it is not necessary to provide a control device or the like for adjusting the methanol concentration, the configuration of the direct methanol fuel cell can be simplified.
上記発明(請求項1)においては、前記濃度調整部が、メタノール分子を選択的に取り込むことのできる分子化合物を充填した濃度調整用物質収容部であり、メタノール水溶液を前記濃度調整用物質収容部に導入し、メタノール水溶液を前記分子化合物に接触させることが好ましい(請求項2)。 In the said invention (invention 1), the said density | concentration adjustment part is a substance for concentration adjustment containing the molecular compound which can take in methanol molecule selectively, Methanol aqueous solution is the said substance for concentration adjustment | control substance containing part It is preferable that the aqueous methanol solution is brought into contact with the molecular compound (claim 2).
上記発明(請求項2)によれば、メタノール水溶液と分子化合物とが接触すると、メタノール水溶液中のメタノール分子が分子化合物に選択的に取り込まれるため、容易にメタノール水溶液のメタノール濃度を調整することができる。 According to the above invention (Invention 2), when the aqueous methanol solution and the molecular compound come into contact with each other, the methanol molecules in the aqueous methanol solution are selectively taken into the molecular compound, so that the methanol concentration in the aqueous methanol solution can be easily adjusted. it can.
上記発明(請求項2)においては、前記濃度調整用物質収容部に充填された分子化合物が、メタノール分子を取り込んでいる分子化合物であってもよいし、メタノール分子を取り込んでいない分子化合物であってもよいし、メタノール分子を取り込んでいる分子化合物とメタノール分子を取り込んでいない分子化合物との混合物であってもよい(請求項3)。 In the above invention (invention 2), the molecular compound filled in the concentration-adjusting substance container may be a molecular compound incorporating methanol molecules, or a molecular compound not incorporating methanol molecules. Alternatively, it may be a mixture of a molecular compound incorporating methanol molecules and a molecular compound not incorporating methanol molecules (Claim 3).
燃料タンクに貯蔵されている燃料電池用メタノール燃料の濃度が適正濃度よりも高濃度である場合には、メタノール分子を取り込んでいない分子化合物を使用することで、分子化合物が過剰なメタノール分子を取り込み、メタノール水溶液の濃度を燃料電池から適正な出力を得ることのできる濃度に調整することができる。一方、燃料タンクに貯蔵されている燃料電池用メタノール燃料の濃度が適正濃度よりも低濃度である場合には、メタノール分子を取り込んでいる分子化合物を使用することで、不足するメタノールを分子化合物から供給し、メタノール水溶液の濃度を燃料電池から適正な出力を得ることのできる濃度に調整することができる。したがって、上記発明(請求項3)によれば、適正濃度のメタノール水溶液を安定的に燃料電池(燃料極)に供給することができる。なお、メタノールを取り込んでいる分子化合物とメタノール分子を取り込んでいない分子化合物との混合割合は、燃料タンク内のメタノール濃度に応じて適宜調整すればよい。 When the concentration of methanol fuel for fuel cells stored in the fuel tank is higher than the appropriate concentration, molecular compounds that have not taken in methanol molecules can be used to take in excess methanol molecules. Further, the concentration of the aqueous methanol solution can be adjusted to a concentration at which an appropriate output can be obtained from the fuel cell. On the other hand, when the concentration of methanol fuel for the fuel cell stored in the fuel tank is lower than the appropriate concentration, by using a molecular compound that has taken in methanol molecules, the insufficient methanol can be removed from the molecular compounds. The concentration of the aqueous methanol solution can be adjusted to a concentration at which an appropriate output can be obtained from the fuel cell. Therefore, according to the above invention (invention 3), an aqueous methanol solution having an appropriate concentration can be stably supplied to the fuel cell (fuel electrode). Note that the mixing ratio of the molecular compound taking in methanol and the molecular compound not taking in methanol molecules may be appropriately adjusted according to the methanol concentration in the fuel tank.
上記発明(請求項2,3)においては、前記分子化合物が、メタノール分子をゲスト分子として包接し得る包接化合物であることが好ましい(請求項4)。メタノール分子をゲスト分子として包接し得る包接化合物は、包接化合物とその周囲のメタノール水溶液との間の化学平衡によってメタノール分子を取り込み、また放出するため、かかる発明(請求項4)によれば、包接化合物にメタノール水溶液を接触させることで、メタノール水溶液の濃度を燃料電池から適正な出力電力を得ることのできる濃度により容易に調整することができる。
In the said invention (
また、上記発明(請求項1)においては、前記濃度調整部を、メタノールの透過率と水の透過率とが異なる1又は2以上の透過膜とすることができる(請求項5)。 Moreover, in the said invention (invention 1), the said density | concentration adjustment part can be made into the permeation | transmission membrane of 1 or 2 or more from which the transmittance | permeability of methanol and the transmittance | permeability of water differ (invention 5).
上記発明(請求項5)によれば、濃度調整部が、メタノールの透過率と水の透過率とが異なる透過膜であるため、透過膜に接触した高濃度メタノール水溶液のメタノール濃度を、燃料電池から適正な出力電力を得ることのできる濃度に調整することができる。また、透過膜におけるメタノールと水との透過率の差が小さい場合でも、複数の透過膜を重ねることで、又は複数の透過膜を直列に配置することで、メタノールと水との透過率の差を大きくすることができ、高濃度メタノール水溶液のメタノール濃度を、燃料電池から適正な出力電力を得ることのできる濃度に調整することができる。 According to the above invention (invention 5), since the concentration adjusting unit is a permeable membrane in which the permeability of methanol and the permeability of water are different, the methanol concentration of the high-concentration methanol aqueous solution in contact with the permeable membrane is changed to a fuel cell. Therefore, it is possible to adjust the concentration so that an appropriate output power can be obtained. Moreover, even when the difference in permeability between methanol and water in the permeable membrane is small, the difference in transmittance between methanol and water can be achieved by stacking a plurality of permeable membranes or arranging a plurality of permeable membranes in series. And the methanol concentration of the high-concentration aqueous methanol solution can be adjusted to a concentration at which appropriate output power can be obtained from the fuel cell.
上記発明(請求項5)においては、前記透過膜のうちの少なくとも一つの透過膜が固体高分子電解質膜であることが好ましい(請求項6)。固体高分子電解質膜は、一般に、直接メタノール形燃料電池の燃料極と空気極との間に設けられる電解質膜として使用されており、メタノール及び水の透過率が詳細に知られているため、かかる発明(請求項6)によれば、メタノール水溶液の濃度を燃料電池から適正な出力電力を得ることのできる濃度により容易に調整することができる。 In the above invention (invention 5), it is preferable that at least one of the permeable membranes is a solid polymer electrolyte membrane (invention 6). The solid polymer electrolyte membrane is generally used as an electrolyte membrane provided between a fuel electrode and an air electrode of a direct methanol fuel cell, and the permeability of methanol and water is known in detail. According to the invention (Claim 6), the concentration of the aqueous methanol solution can be easily adjusted by the concentration capable of obtaining appropriate output power from the fuel cell.
さらに、上記発明(請求項1)においては、前記濃度調整部を、メタノール吸着能を有する吸着物質を充填した吸着物質収容部とし、メタノール水溶液を前記吸着物質収容部に導入し、メタノール水溶液を吸着物質に接触させるようにすることができる(請求項7)。 Furthermore, in the said invention (invention 1), the said concentration adjustment part is made into the adsorption substance accommodating part filled with the adsorption substance which has methanol adsorption ability, methanol aqueous solution is introduce | transduced into the said adsorption substance accommodating part, and methanol aqueous solution is adsorbed It can be made to contact a substance (Claim 7).
上記発明(請求項7)によれば、メタノール吸着能を有する吸着物質と高濃度メタノール水溶液とが接触し、当該吸着物質にメタノールが吸着されることで、メタノール水溶液の濃度を燃料電池から適正な出力電力を得ることのできる濃度に調整することができる。 According to the above invention (invention 7), an adsorbent having methanol adsorption ability and a high-concentration aqueous methanol solution come into contact with each other, and methanol is adsorbed on the adsorbent, so that the concentration of the aqueous methanol solution can be appropriately adjusted from the fuel cell. The density can be adjusted to obtain output power.
上記発明(請求項7)においては、前記吸着物質が、ゼオライト、シリカ類、モレキュラーシーブ、活性炭類、粘土鉱物類及び多孔質ガラス類から選ばれる1種又は2種以上であることが好ましい(請求項8)。 In the said invention (invention 7), it is preferable that the said adsorption substance is 1 type, or 2 or more types chosen from a zeolite, silica, molecular sieve, activated carbon, clay minerals, and porous glass (invention). Item 8).
上記発明(請求項8)によれば、ゼオライト、シリカ類、モレキュラーシーブ、活性炭類、粘土鉱物類、多孔質ガラス類等はメタノール吸着能が高いため、より容易にメタノール水溶液のメタノール濃度を燃料電池から適正な出力電力を得ることのできる濃度に調整することができる。 According to the above invention (invention 8), zeolite, silica, molecular sieve, activated carbon, clay minerals, porous glass and the like have a high methanol adsorption capacity, so that the methanol concentration of the aqueous methanol solution can be more easily adjusted to the fuel cell. Therefore, it is possible to adjust the concentration so that an appropriate output power can be obtained.
また、本発明は、燃料電池本体と、メタノール分子を選択的に取り込むことのできる分子化合物を充填した濃度調整用物質収容部、メタノールの透過率と水の透過率とが異なる1又は2以上の透過膜、及びメタノール吸着能を有する吸着物質を充填した吸着物質収容部のうちの少なくとも2種類からなる濃度調整部とを備え、前記濃度調整部にメタノール水溶液を導入することにより、メタノール水溶液の濃度の調整が可能であることを特徴とする直接メタノール形燃料電池を提供する(請求項9)。 The present invention also provides a fuel cell main body, a concentration-adjusting substance container filled with a molecular compound capable of selectively taking in methanol molecules, one or two or more different methanol permeability and water permeability. A concentration adjusting unit comprising at least two kinds of adsorbing substance containing parts filled with a permeable membrane and an adsorbing substance having methanol adsorbing capacity, and introducing a methanol aqueous solution into the concentration adjusting part, thereby It is possible to provide a direct methanol fuel cell characterized in that the above-described adjustment is possible.
上記発明(請求項9)によれば、濃度調整部として濃度調整用物質収容部、透過膜及び吸着物質収容部のうちの少なくとも2種類を組み合わせることで、メタノール水溶液のメタノール濃度を燃料電池から適正な出力電力を得ることのできる濃度により容易に調整することができる。特に、濃度調整用物質収容部と、透過膜及び/又は吸着物質収容部とを組み合わせることにより、分子化合物がメタノール分子を取り込みきれなかったときであっても、透過膜及び/又は吸着物質がメタノールを捕捉し、メタノール水溶液の濃度を燃料電池から適正な出力電力を得ることのできる濃度に調整することができるため好ましい。 According to the above invention (invention 9), the concentration of the methanol concentration in the aqueous methanol solution can be appropriately adjusted from the fuel cell by combining at least two types of the concentration adjusting substance containing part, the permeable membrane, and the adsorbing substance containing part as the concentration adjusting part. Can be easily adjusted according to the concentration at which a high output power can be obtained. In particular, by combining the concentration adjusting substance containing portion with the permeable membrane and / or the adsorbing substance containing portion, the permeable membrane and / or the adsorbing substance is methanol even when the molecular compound cannot take up methanol molecules. And the concentration of the aqueous methanol solution can be adjusted to a concentration at which appropriate output power can be obtained from the fuel cell.
上記発明(請求項1〜9)においては、前記濃度調整部が、交換可能に設けられていることが好ましい(請求項10)。かかる発明(請求項10)によれば、濃度調整部のメタノール濃度を調整する機能が低下した場合であっても、当該濃度調整部を交換するだけで、直接メタノール形燃料電池に安定的な濃度のメタノール水溶液を供給することができる。 In the said invention (invention 1-9), it is preferable that the said density | concentration adjustment part is provided so that replacement | exchange is possible (invention 10). According to this invention (Claim 10), even if the function of adjusting the methanol concentration of the concentration adjusting unit is lowered, it is possible to obtain a stable concentration directly in the methanol fuel cell by simply replacing the concentration adjusting unit. An aqueous methanol solution can be supplied.
また、本発明は、直接メタノール形燃料電池に供給されるメタノール水溶液のメタノール濃度を調整する方法であって、メタノール水溶液を濃度調整部に接触させることにより、メタノール水溶液のメタノール濃度を調整することを特徴とするメタノール濃度調整方法を提供する(請求項11)。 The present invention also relates to a method for adjusting the methanol concentration of an aqueous methanol solution directly supplied to a methanol fuel cell, wherein the methanol concentration of the aqueous methanol solution is adjusted by bringing the aqueous methanol solution into contact with the concentration adjusting unit. A characteristic methanol concentration adjustment method is provided (claim 11).
上記発明(請求項11)によれば、メタノール水溶液を濃度調整部に接触させることだけで、メタノール水溶液の濃度を燃料電池から適正な出力電力を得ることのできる濃度に容易に調整することができる。 According to the above invention (invention 11), the concentration of the methanol aqueous solution can be easily adjusted to a concentration at which appropriate output power can be obtained from the fuel cell only by bringing the aqueous methanol solution into contact with the concentration adjusting unit. .
上記発明(請求項11)においては、メタノール水溶液を、メタノール分子を選択的に取り込むことのできる分子化合物に接触させることが好ましい(請求項12)。 In the said invention (invention 11), it is preferable to contact methanol aqueous solution with the molecular compound which can selectively take in a methanol molecule (invention 12).
上記発明(請求項12)によれば、メタノール分子を選択的に取り込むことのできる分子化合物にメタノール水溶液を接触させることで、当該分子化合物にメタノール水溶液中のメタノール分子が選択的に取り込まれ、メタノール水溶液の濃度を直接メタノール形燃料電池から適正な出力電力を得ることのできる濃度に容易に調整することができる。 According to the above invention (invention 12), by bringing a methanol aqueous solution into contact with a molecular compound that can selectively take in methanol molecules, the methanol molecules in the methanol aqueous solution are selectively taken into the molecular compound, and methanol The concentration of the aqueous solution can be easily adjusted to a concentration at which appropriate output power can be obtained directly from the methanol fuel cell.
上記発明(請求項12)においては、前記分子化合物が、メタノール分子を取り込んでいる分子化合物であってもよいし、メタノール分子を取り込んでいない分子化合物であってもよいし、メタノール分子を取り込んでいる分子化合物とメタノール分子を取り込んでいない分子化合物との混合物であってもよい(請求項13)。 In the above invention (invention 12), the molecular compound may be a molecular compound incorporating methanol molecules, a molecular compound not incorporating methanol molecules, or incorporating methanol molecules. It is also possible to use a mixture of a molecular compound that does not incorporate methanol molecules (claim 13).
上記発明(請求項13)によれば、メタノール分子を取り込んでいる分子化合物とメタノール分子を取り込んでいない分子化合物との混合物にメタノール水溶液を接触させることで、メタノール水溶液の濃度が、燃料電池から適正な出力電力を得ることのできる濃度よりも高い場合には、分子化合物の混合物のうちメタノール分子を取り込んでいない分子化合物にメタノール分子が取り込まれ、メタノール水溶液の濃度を燃料電池から適正な出力電力を得ることのできる濃度に調整することができる一方、メタノール水溶液の濃度が、燃料電池から適正な出力電力を得ることのできる濃度よりも低い場合、メタノール分子を取り込んでいる分子化合物からメタノールが放出され、メタノール水溶液の濃度を燃料電池から適正な出力電力を得ることのできる濃度に調整することができる。 According to the above invention (invention 13), the aqueous methanol solution is brought into contact with a mixture of a molecular compound incorporating methanol molecules and a molecular compound not incorporating methanol molecules, so that the concentration of the aqueous methanol solution is appropriate from the fuel cell. If the concentration is higher than the concentration at which a sufficient output power can be obtained, the methanol molecules are taken into the molecular compound that has not taken in the methanol molecules in the mixture of molecular compounds, and the concentration of the methanol aqueous solution is adjusted to the appropriate output power from the fuel cell. When the concentration of the aqueous methanol solution is lower than the concentration at which proper output power can be obtained from the fuel cell, methanol is released from the molecular compound incorporating the methanol molecules. Get the proper output power from the fuel cell, the concentration of methanol aqueous solution It can be adjusted to a concentration capable of and.
上記発明(請求項12,13)においては、前記分子化合物が、メタノール分子をゲスト分子として包接し得る包接化合物であることが好ましい(請求項14)。メタノール分子をゲスト分子として包接し得る包接化合物は、包接化合物とその周囲のメタノール水溶液との間の化学平衡によってメタノール分子を取り込み、また放出するため、かかる発明(請求項14)によれば、包接化合物にメタノール水溶液を接触させることで、メタノール水溶液の濃度を燃料電池から適正な出力電力を得ることのできる濃度により容易に調整することができる。 In the said invention (invention 12 and 13), it is preferable that the said molecular compound is an inclusion compound which can include methanol molecule as a guest molecule (invention 14). According to the invention (Claim 14), the clathrate compound that can clathrate methanol molecules as guest molecules takes up and releases methanol molecules by chemical equilibrium between the clathrate compound and the surrounding methanol aqueous solution. By bringing the aqueous methanol solution into contact with the clathrate compound, the concentration of the aqueous methanol solution can be easily adjusted by the concentration at which appropriate output power can be obtained from the fuel cell.
上記発明(請求項11)においては、メタノール水溶液を、メタノールの透過率と水の透過率とが異なる1又は2以上の透過膜に接触させるようにすることができる(請求項15)。 In the above invention (invention 11), the methanol aqueous solution can be brought into contact with one or more permeable membranes having different methanol permeability and water permeability (invention 15).
上記発明(請求項15)によれば、メタノール水溶液を透過膜に接触させるだけで、メタノール水溶液の濃度を、燃料電池から適正な出力電力を得ることのできる濃度に調整することができる。また、透過膜におけるメタノールと水との透過率の差が小さい場合でも、複数の透過膜を重ねることで、又は複数の透過膜を直列に配置することで、メタノールと水との透過率の差を大きくすることができ、高濃度メタノール水溶液のメタノール濃度を、燃料電池から適正な出力電力を得ることのできる濃度に調整することができる。 According to the above invention (invention 15), the concentration of the aqueous methanol solution can be adjusted to a concentration at which appropriate output power can be obtained from the fuel cell only by bringing the aqueous methanol solution into contact with the permeable membrane. Moreover, even when the difference in permeability between methanol and water in the permeable membrane is small, the difference in transmittance between methanol and water can be achieved by stacking a plurality of permeable membranes or arranging a plurality of permeable membranes in series. And the methanol concentration of the high-concentration aqueous methanol solution can be adjusted to a concentration at which appropriate output power can be obtained from the fuel cell.
上記発明(請求項15)においては、前記透過膜のうちの少なくとも一つの透過膜が、固体高分子電解質膜であることが好ましい(請求項16)。固体高分子電解質膜は、一般に、直接メタノール形燃料電池の燃料極と空気極との間に設けられる電解質膜として使用されており、メタノール及び水の透過率が詳細に知られているため、かかる発明(請求項16)によれば、メタノール水溶液の濃度を燃料電池から適正な出力電力を得ることのできる濃度により容易に調整することができる。 In the above invention (invention 15), it is preferable that at least one of the permeable membranes is a solid polymer electrolyte membrane (invention 16). The solid polymer electrolyte membrane is generally used as an electrolyte membrane provided between a fuel electrode and an air electrode of a direct methanol fuel cell, and the permeability of methanol and water is known in detail. According to the invention (invention 16), the concentration of the aqueous methanol solution can be easily adjusted by the concentration capable of obtaining appropriate output power from the fuel cell.
上記発明(請求項11)においては、メタノール水溶液を、メタノール吸着能を有する吸着物質に接触させるようにすることができる(請求項17)。かかる発明(請求項17)によれば、メタノール吸着能を有する吸着物質と高濃度メタノール水溶液とを接触させることで、当該吸着物質にメタノールが吸着され、メタノール水溶液の濃度を燃料電池から適正な出力電力を得ることのできる濃度に調整することができる。 In the said invention (invention 11), methanol aqueous solution can be made to contact the adsorption substance which has methanol adsorption ability (invention 17). According to this invention (invention 17), methanol is adsorbed on the adsorbent by bringing the adsorbent having methanol adsorption ability into contact with the high-concentration methanol aqueous solution, and the concentration of the methanol aqueous solution is appropriately output from the fuel cell. The density can be adjusted to obtain electric power.
上記発明(請求項17)においては、前記吸着物質が、ゼオライト、シリカ類、モレキュラーシーブ、活性炭類、粘土鉱物類及び多孔質ガラス類から選ばれる1種又は2種以上であることが好ましい(請求項18)。 In the said invention (invention 17), it is preferable that the said adsorption substance is 1 type, or 2 or more types chosen from a zeolite, silicas, molecular sieve, activated carbon, clay minerals, and porous glass (invention). Item 18).
上記発明(請求項18)によれば、ゼオライト、シリカ類、モレキュラーシーブ、活性炭類、粘土鉱物類、多孔質ガラス類等はメタノール吸着能が高いため、より容易にメタノール水溶液のメタノール濃度を燃料電池から適正な出力電力を得ることのできる濃度に調整することができる。 According to the above invention (invention 18), zeolite, silica, molecular sieve, activated carbon, clay minerals, porous glass and the like have high methanol adsorbing ability, so that the methanol concentration of the aqueous methanol solution can be more easily adjusted to the fuel cell. Therefore, it is possible to adjust the concentration so that an appropriate output power can be obtained.
本発明は、メタノール分子を選択的に取り込むことのできる分子化合物、メタノールの透過率と水の透過率とが異なる1又は2以上の透過膜、及びメタノール吸着能を有する吸着物質のうちの少なくとも2種類にメタノール水溶液を接触させることにより、メタノール水溶液の濃度を調整することを特徴とする直接メタノール形燃料電池におけるメタノール濃度調整方法を提供する(請求項19)。 The present invention provides at least two of a molecular compound capable of selectively taking in methanol molecules, one or more permeable membranes having different methanol permeability and water permeability, and an adsorbent having methanol adsorption ability. A methanol concentration adjusting method in a direct methanol fuel cell is provided, wherein the concentration of the methanol aqueous solution is adjusted by bringing a methanol aqueous solution into contact with the type (claim 19).
上記発明(請求項19)によれば、分子化合物、透過膜及び吸着物質のうちの少なくとも2種類にメタノール水溶液を接触させることで、メタノール水溶液のメタノール濃度を燃料電池から適正な出力電力を得ることのできる濃度により容易に調整することができる。特に、分子化合物と、透過膜及び/又は吸着物質とにメタノール水溶液を接触させることにより、分子化合物がメタノール分子を取り込みきれなかったときであっても、透過膜及び/又は吸着物質がメタノールを捕捉し、メタノール水溶液の濃度を燃料電池から適正な出力電力を得ることのできる濃度に調整することができるため好ましい。 According to the above invention (invention 19), the methanol concentration of the methanol aqueous solution can be obtained from the fuel cell with the proper output power by bringing the methanol aqueous solution into contact with at least two of the molecular compound, the permeable membrane and the adsorbing substance. The concentration can be easily adjusted. In particular, by contacting an aqueous methanol solution with the molecular compound and the permeable membrane and / or adsorbent, the permeable membrane and / or adsorbent captures the methanol even when the molecular compound fails to capture the methanol molecules. And since the density | concentration of methanol aqueous solution can be adjusted to the density | concentration which can obtain appropriate output electric power from a fuel cell, it is preferable.
本発明によれば、直接メタノール形燃料電池に供給されるメタノールの濃度を、当該燃料電池の性能を最大限発揮し得る適正な濃度に容易に調整することのできる直接メタノール形燃料電池を提供することができる。 According to the present invention, there is provided a direct methanol fuel cell capable of easily adjusting the concentration of methanol supplied to a direct methanol fuel cell to an appropriate concentration that can maximize the performance of the fuel cell. be able to.
〔第1の実施形態〕
以下、本発明の第1の実施形態について図面に基づいて説明する。
図1は、本実施形態に係る直接メタノール形燃料電池の概略構成図であり、図2は、本実施形態に係る直接メタノール形燃料電池におけるメタノール濃度の推移を示すグラフである。
[First Embodiment]
DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, a first embodiment of the invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a direct methanol fuel cell according to the present embodiment, and FIG. 2 is a graph showing changes in methanol concentration in the direct methanol fuel cell according to the present embodiment.
図1に示すように、本実施形態に係る直接メタノール形燃料電池1は、燃料極21、固体高分子電解質膜22及び空気極23を有する燃料電池セル2と、燃料電池セル2の燃料極21に接続されている濃度調整物質収容部3と、濃度調整物質収容部3の上流に第1のポンプ4を介して接続されている供給燃料タンク5と、供給燃料タンク5に第2のポンプ6を介して接続されている高濃度燃料タンク7とを備える。
As shown in FIG. 1, a direct
高濃度燃料タンク7には、直接メタノール形燃料電池1からの出力電力値を適当な値に維持し得る濃度(以下「適正濃度」という)よりも高い濃度のメタノール水溶液が貯留されている。この高濃度燃料タンク7に貯留されているメタノール水溶液のメタノール濃度は、40〜100質量%であることが好ましい。
The high concentration fuel tank 7 stores a methanol aqueous solution having a concentration higher than the concentration at which the output power value from the direct
供給燃料タンク5は、燃料極21の排出口に接続されており、供給燃料タンク5には、高濃度燃料タンク7から供給されるメタノール水溶液が一時的に貯留されるとともに、燃料極21における反応によりメタノールが消費された余剰燃料(未反応のメタノール水溶液)が導入される。
The
濃度調整物質収容部3には、メタノール分子を選択的に取り込むことのできる分子化合物が充填されている。濃度調整物質収容部3に充填されている分子化合物は、メタノール分子を取り込んでいない分子化合物のみであってもいいし、メタノール分子を取り込んでいる分子化合物のみであってもよいし、メタノール分子を取り込んでいない分子化合物とメタノール分子を取り込んでいる分子化合物との混合物であってもよい。メタノール分子を取り込んでいない分子化合物とメタノール分子を取り込んでいる分子化合物との混合比は、高濃度燃料タンク7に貯留されているメタノール水溶液の濃度に応じて、適宜調整することができる。 The concentration adjusting substance storage unit 3 is filled with a molecular compound capable of selectively taking in methanol molecules. The molecular compound filled in the concentration-adjusting substance storage unit 3 may be only a molecular compound that does not incorporate methanol molecules, may be only a molecular compound that incorporates methanol molecules, or may contain methanol molecules. It may be a mixture of a molecular compound that has not been incorporated and a molecular compound that has incorporated methanol molecules. The mixing ratio of the molecular compound that has not taken in the methanol molecules and the molecular compound that has taken in the methanol molecules can be appropriately adjusted according to the concentration of the aqueous methanol solution stored in the high concentration fuel tank 7.
本実施形態において、分子化合物とは、水素結合やファンデルワールス力等に代表される共有結合以外の比較的弱い相互作用によってメタノールと結合し得る化合物であり、水化物、溶媒化物、付加化合物、包接化合物等が含まれる。このような分子化合物は、分子化合物を形成する化合物とメタノールとの接触反応により形成することができ、気体又は液体のメタノールを固体状の化合物に変化させることができ、比較的軽量で安定的にメタノールを貯蔵することができる。 In the present embodiment, the molecular compound is a compound that can bind to methanol by a relatively weak interaction other than a covalent bond represented by hydrogen bond, van der Waals force, etc., and is a hydrate, solvate, addition compound, Inclusion compounds and the like are included. Such a molecular compound can be formed by a contact reaction between a compound that forms the molecular compound and methanol, and can convert gaseous or liquid methanol into a solid compound, which is relatively lightweight and stable. Methanol can be stored.
本実施形態における分子化合物としては、ホスト化合物とメタノールとの接触反応によりメタノールを包接し得る包接化合物が好ましい。メタノール包接化合物は、包接化合物中のメタノール濃度と包接化合物の周囲に存在するメタノール水溶液中のメタノール濃度との間に化学平衡が存在するため、メタノール水溶液のメタノール濃度が平衡濃度よりも高い場合には、ホスト化合物中にメタノールが包接されてメタノール包接化合物を形成し、メタノール水溶液のメタノール濃度が低下する。一方、メタノール水溶液のメタノール濃度が平衡濃度よりも低い場合には、メタノール包接化合物からメタノールが放出されて、メタノール水溶液のメタノール濃度が上昇する。このようにして、燃料極21に供給されるメタノール水溶液のメタノール濃度を、直接メタノール形燃料電池1から適正な出力電力を得ることのできるように安定的に維持することができる。
As a molecular compound in the present embodiment, an inclusion compound capable of inclusion of methanol by a contact reaction between a host compound and methanol is preferable. In the methanol clathrate compound, there is a chemical equilibrium between the methanol concentration in the clathrate compound and the methanol concentration in the methanol aqueous solution around the clathrate compound, so the methanol concentration in the methanol aqueous solution is higher than the equilibrium concentration. In this case, methanol is included in the host compound to form a methanol inclusion compound, and the methanol concentration of the aqueous methanol solution is lowered. On the other hand, when the methanol concentration of the aqueous methanol solution is lower than the equilibrium concentration, methanol is released from the methanol clathrate compound, and the methanol concentration of the aqueous methanol solution increases. In this way, the methanol concentration of the aqueous methanol solution supplied to the
メタノールを包接した包接化合物を形成するホスト化合物としては、有機化合物、無機化合物及び有機・無機複合化合物よりなるものが知られており、また、有機化合物において単分子系、多分子系、高分子系ホスト等が知られている。 As host compounds that form clathrate compounds containing methanol, those composed of organic compounds, inorganic compounds, and organic / inorganic composite compounds are known. Molecular hosts and the like are known.
単分子系ホストとしては、シクロデキストリン類、クラウンエーテル類、クリプタンド類、シクロファン類、アザシクロファン類、カリックスアレン類、シクロトリベラトリレン類、スフェランド類、環状オリゴペプチド類等が挙げられる。 Examples of the monomolecular host include cyclodextrins, crown ethers, cryptands, cyclophanes, azacyclophanes, calixarenes, cyclotriveratrylenes, spherands, and cyclic oligopeptides.
多分子系ホストとしては、尿素類、チオ尿素類、デオキシコール酸類、コール酸類、ペルヒドロトリフェニレン類、トリ−o−チモチド類、ビアンスリル類、スピロビフルオレン類、シクロフォスファゼン類、モノアルコール類、ジオール類、ヒドロキシベンゾフェノン類、アセチレンアルコール類、フェノール類、ビスフェノール類、トリスフェノール類、テトラキスフェノール類、ポリフェノール類、ナフトール類、ビスナフトール類、ジフェニルメタノール類、カルボン酸アミド類、チオアミド類、ビキサンテン類、カルボン酸類、イミダゾール類、ヒドロキノン類等が挙げられる。 Multimolecular hosts include ureas, thioureas, deoxycholic acids, cholic acids, perhydrotriphenylenes, tri-o-thymotides, bianthryls, spirobifluorenes, cyclophosphazenes, monoalcohols Diols, hydroxybenzophenones, acetylene alcohols, phenols, bisphenols, trisphenols, tetrakisphenols, polyphenols, naphthols, bisnaphthols, diphenylmethanols, carboxylic acid amides, thioamides, bixanthenes , Carboxylic acids, imidazoles, hydroquinones and the like.
高分子系ホストとしては、セルロース類、デンプン類、キチン類、キトサン類、ポリビニルアルコール類、1,1,2,2,−テトラキスフェニルエタンをコアとするポリエチレングリコールアーム型ポリマー類、α,α,α’,α’−テトラキスフェニルキシレンをコアとするポリエチレングリコールアーム型ポリマー類等が挙げられる。その他に有機りん化合物、有機ケイ素化合物等も挙げられる。 Examples of the polymer host include celluloses, starches, chitins, chitosans, polyvinyl alcohols, polyethylene glycol arm polymers having 1,1,2,2, -tetrakisphenylethane as a core, α, α, Examples include polyethylene glycol arm type polymers having α ′, α′-tetrakisphenylxylene as a core. In addition, organophosphorus compounds, organosilicon compounds, and the like are also included.
無機系ホスト化合物としては、酸化チタン、グラファイト、アルミナ、遷移金属ジカルゴゲナイト、フッ化ランタン、粘土鉱物(モンモリロナイト等)、銀塩、ケイ酸塩、リン酸塩、ゼオライト、シリカ、多孔質ガラス等が挙げられる。 Examples of the inorganic host compound include titanium oxide, graphite, alumina, transition metal dicargogenite, lanthanum fluoride, clay mineral (montmorillonite, etc.), silver salt, silicate, phosphate, zeolite, silica, porous glass, etc. It is done.
さらに、有機金属化合物にもホスト化合物としての性質を示すものがあり、例えば、有機アルミニウム化合物、有機チタン化合物、有機ホウ素化合物、有機亜鉛化合物、有機インジウム化合物、有機ガリウム化合物、有機テルル化合物、有機スズ化合物、有機ジルコニウム化合物、有機マグネシウム化合物等が挙げられる。また、有機カルボン酸の金属塩や有機金属錯体等をホスト化合物として用いることもできるが、有機金属化合物であれば、特にこれらに限定されるものではない。 Furthermore, some organometallic compounds exhibit properties as host compounds. For example, organoaluminum compounds, organotitanium compounds, organoboron compounds, organozinc compounds, organoindium compounds, organogallium compounds, organotellurium compounds, organotins. Examples thereof include compounds, organic zirconium compounds, and organic magnesium compounds. In addition, a metal salt of an organic carboxylic acid, an organic metal complex, or the like can be used as the host compound, but the organic metal compound is not particularly limited thereto.
これらのホスト化合物のうち、包接能力がゲスト化合物の分子の大きさに左右されにくい多分子系ホストがより有効である。 Of these host compounds, multimolecular hosts whose inclusion ability is less affected by the molecular size of the guest compound are more effective.
多分子系ホスト化合物としては、具体的には、尿素、1,1,6,6−テトラフェニルヘキサ−2,4−ジイン−1,6−ジオール、1,1−ビス(2,4−ジメチルフェニル)−2−プロピン−1−オール、1,1,4,4−テトラフェニル−2−ブチン−1,4−ジオール、1,1,6,6−テトラキス(2,4−ジメチルフェニル)−2,4−ヘキサジイン−1,6−ジオール、9,10−ジフェニル−9,10−ジヒドロアントラセン−9,10−ジオール、9,10−ビス(4−メチルフェニル)−9,10−ジヒドロアントラセン−9,10−ジオール、1,1,2,2−テトラフェニルエタン−1,2−ジオール、4−メトキシフェノール、2,4−ジヒドロキシベンゾフェノン、4,4’−ジヒドロキシベンゾフェノン、2,2’,4,4’−テトラヒドロキシベンゾフェノン、1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン、4,4’−スルホニルビスフェノール、2,2’−メチレンビス(4−メチル−6−t−ブチルフェノール)、4,4’−エチリデンビスフェノール、4,4’−チオビス(3−メチル−6−t−ブチルフェノール)、1,1,3−トリス(2−メチル−4−ヒドロキシ−5−t−ブチルフェニル)ブタン、1,1,2,2−テトラキス(4−ヒドロキシフェニル)エタン、1,1,2,2−テトラキス(4−ヒドロキシフェニル)エチレン、1,1,2,2−テトラキス(3−メチル−4−ヒドロキシフェニル)エタン、1,1,2,2−テトラキス(3−フルオロ−4−ヒドロキシフェニル)エタン、α,α,α’,α’−テトラキス(4−ヒドロキシフェニル)−p−キシレン、3,6,3’,6’−テトラメトキシ−9,9’−ビ−9H−キサンテン、3,6,3’6’−テトラアセトキシ−9,9’−ビ−9H−キサンテン、没食子酸、没食子酸メチル、カテキン、ビス−β−ナフトール、α,α,α’,α’−テトラフェニル−1,1’−ビフェニル−2,2’−ジメタノール、ジフェン酸ビス(ジシクロヘキシルアミド)、フマル酸ビス(ジシクロヘキシルアミド)、コール酸、デオキシコール酸、1,1,2,2−テトラキス(4−カルボキシフェニル)エタン、1,1,2,2−テトラキス(3−カルボキシフェニル)エタン、アセチレンジカルボン酸、2,4,5−トリフェニルイミダゾール、1,2,4,5−テトラフェニルイミダゾール、2−フェニルフェナントロ[9,10−d]イミダゾール、2−(o−シアノフェニル)フェナントロ[9,10−d]イミダゾール、2−(m−シアノフェニル)フェナントロ[9,10−d]イミダゾール、2−(p−シアノフェニル)フェナントロ[9,10−d]イミダゾール、ヒドロキノン、2−t−ブチルヒドロキノン、2,5−ジ−t−ブチルヒドロキノン、2,5−ビス(2,4−ジメチルフェニル)ヒドロキノン、等が挙げられるが、1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサンのようなフェノール系ホスト化合物が工業的に使用しやすい点で有利である。 Specific examples of the multimolecular host compound include urea, 1,1,6,6-tetraphenylhexa-2,4-diyne-1,6-diol, and 1,1-bis (2,4-dimethyl). Phenyl) -2-propyn-1-ol, 1,1,4,4-tetraphenyl-2-butyne-1,4-diol, 1,1,6,6-tetrakis (2,4-dimethylphenyl)- 2,4-hexadiyne-1,6-diol, 9,10-diphenyl-9,10-dihydroanthracene-9,10-diol, 9,10-bis (4-methylphenyl) -9,10-dihydroanthracene- 9,10-diol, 1,1,2,2-tetraphenylethane-1,2-diol, 4-methoxyphenol, 2,4-dihydroxybenzophenone, 4,4′-dihydroxybenzophenone, 2 2 ′, 4,4′-tetrahydroxybenzophenone, 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) cyclohexane, 4,4′-sulfonylbisphenol, 2,2′-methylenebis (4-methyl-6-tert-butylphenol) 4,4′-ethylidenebisphenol, 4,4′-thiobis (3-methyl-6-tert-butylphenol), 1,1,3-tris (2-methyl-4-hydroxy-5-tert-butylphenyl) Butane, 1,1,2,2-tetrakis (4-hydroxyphenyl) ethane, 1,1,2,2-tetrakis (4-hydroxyphenyl) ethylene, 1,1,2,2-tetrakis (3-methyl- 4-hydroxyphenyl) ethane, 1,1,2,2-tetrakis (3-fluoro-4-hydroxyphenyl) ethane, α, α, α ′, α′-te Trakis (4-hydroxyphenyl) -p-xylene, 3,6,3 ′, 6′-tetramethoxy-9,9′-bi-9H-xanthene, 3,6,3′6′-tetraacetoxy-9, 9′-bi-9H-xanthene, gallic acid, methyl gallate, catechin, bis-β-naphthol, α, α, α ′, α′-tetraphenyl-1,1′-biphenyl-2,2′-di Methanol, bis (dicyclohexylamide) diphenate, bis (dicyclohexylamide) fumarate, cholic acid, deoxycholic acid, 1,1,2,2-tetrakis (4-carboxyphenyl) ethane, 1,1,2,2- Tetrakis (3-carboxyphenyl) ethane, acetylenedicarboxylic acid, 2,4,5-triphenylimidazole, 1,2,4,5-tetraphenylimidazole, 2-phenyl Nylphenanthro [9,10-d] imidazole, 2- (o-cyanophenyl) phenanthro [9,10-d] imidazole, 2- (m-cyanophenyl) phenanthro [9,10-d] imidazole, 2- (p -Cyanophenyl) phenanthro [9,10-d] imidazole, hydroquinone, 2-t-butylhydroquinone, 2,5-di-t-butylhydroquinone, 2,5-bis (2,4-dimethylphenyl) hydroquinone, etc. However, a phenolic host compound such as 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) cyclohexane is advantageous in that it can be used industrially.
これらのホスト化合物は、1種を単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。これらのホスト化合物は、メタノールと固体状の包接化合物を形成するものであれば、どのような形状の化合物でもかまわない。 These host compounds may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together. These host compounds may be compounds of any shape as long as they form a solid inclusion compound with methanol.
また、上述の有機ホスト化合物は、無機系多孔質物質に担持させた有機・無機複合素材として使用することもできる。この場合、有機ホスト化合物を担持する多孔質物質としては、シリカ類、ゼオライト類、活性炭類の他に、粘土鉱物類、モンモリロナイト類等の層間化合物等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。 The organic host compound described above can also be used as an organic / inorganic composite material supported on an inorganic porous material. In this case, examples of the porous material supporting the organic host compound include silica, zeolites, activated carbons, intercalation compounds such as clay minerals and montmorillonites, but are not limited thereto. Absent.
このような有機・無機複合素材の製造方法としては、上述の有機ホスト化合物を溶解することのできる溶媒に溶解させ、その溶液を無機多孔質物質中に含浸させ、溶媒を乾燥、減圧乾燥等することにより製造することができる。無機多孔質物質に対する有機ホスト化合物の担持量としては特に制限はないが、通常の場合、無機多孔質物質に対して0.1〜80質量%程度である。 As a method for producing such an organic / inorganic composite material, the above organic host compound is dissolved in a solvent that can be dissolved, the solution is impregnated in an inorganic porous material, and the solvent is dried, dried under reduced pressure, or the like. Can be manufactured. Although there is no restriction | limiting in particular as the load of the organic host compound with respect to an inorganic porous material, Usually, it is about 0.1-80 mass% with respect to an inorganic porous material.
このような直接メタノール形燃料電池1において、直接メタノール形燃料電池1の運転を開始すると、高濃度燃料タンク7内のメタノール水溶液が、第2のポンプ6により供給燃料タンク5に供給される。このとき、供給燃料タンク5内には、高濃度燃料タンク7内のメタノール水溶液のみが供給されるため、供給燃料タンク5内には、適正濃度よりも高いメタノール濃度のメタノール水溶液が貯留されている(図2のグラフのA点〜B点)。
In such a direct
供給燃料タンク5内のメタノール水溶液は、第1のポンプ4により濃度調整物質収容部3に供給される。濃度調整物質収容部3に供給されたメタノール水溶液は、濃度調整物質収容部3に充填されている包接化合物と接触し、メタノール水溶液中のメタノール分子が選択的に包接されて、メタノール水溶液のメタノール濃度が適正濃度に調整される(図2のグラフのD点〜E点)。
The aqueous methanol solution in the
濃度調整物質収容部3にて濃度が調整されたメタノール水溶液は、燃料極21に供給される。燃料極21にメタノール水溶液が供給されると、燃料極21内においてメタノールが、燃料極21の触媒成分により水素イオン(H+)と、二酸化炭素(CO2)と、電子(e−)とに転換される。電子(e−)は、電気的接続により外部回路(図示せず)から、水素イオン(H+)は固体高分子電解質膜22を通過することで、それぞれ空気極23に導入される。空気極23には、空気(又は酸素(O2))が供給され、この酸素(O2)が燃料極21で発生した水素イオン(H+)及び電子(e−)と反応して水が生じる。このような反応において、燃料極21から空気極23に向かって電子(e−)が流れ電力が取り出される。このようにして、直接メタノール形燃料電池1においては、クロスオーバー現象が生じることなく、直接メタノール形燃料電池1から適正な電圧が出力される。
The aqueous methanol solution whose concentration is adjusted in the concentration adjusting substance storage unit 3 is supplied to the
燃料極21の排出口からは、余剰メタノール水溶液が排出され、供給燃料タンク5に導入される。供給燃料タンク5には、高濃度燃料タンク7からメタノール水溶液が供給されているため、供給燃料タンク5内で、燃料極21から返送される余剰メタノール水溶液と高濃度燃料タンク7内のメタノール水溶液とが混合される。
Excess methanol aqueous solution is discharged from the discharge port of the
直接メタノール形燃料電池1を運転し続け、高濃度燃料タンク7内のメタノール水溶液が空になると、供給燃料タンク5に高濃度燃料タンク7からメタノール水溶液が供給されなくなる。
If the
一方、燃料極21から返送される余剰メタノール水溶液は、供給燃料タンク5に引き続き供給され続けるため、供給燃料タンク5内のメタノール水溶液のメタノール濃度は徐々に低下していき(図2のグラフのB点〜C点)、供給燃料タンク5から濃度調整物質収容部3に供給されるメタノール水溶液のメタノール濃度が低下する。
On the other hand, since the surplus methanol aqueous solution returned from the
そして、供給燃料タンク5から濃度調整物質収容部3に供給されるメタノール水溶液中のメタノール濃度が、平衡濃度よりも低くなると、メタノール包接化合物からメタノール水溶液中にメタノールが放出され、適正濃度のメタノール水溶液が燃料極21に供給されるようになる(図2のグラフのE点〜F点)。
When the methanol concentration in the methanol aqueous solution supplied from the
そのまま運転を続けると、燃料極21内のメタノール濃度が徐々に低下し、直接メタノール形燃料電池1の使用限界濃度を超えるまで(図2のグラフのG点)、直接メタノール形燃料電池1を適正に運転することができる。
If the operation is continued as it is, the methanol concentration in the
本実施形態においては、メタノール濃度を調整する手段として、メタノールと分子化合物を形成し得るホスト化合物を充填する濃度調整物質収容部3を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、メタノールの透過率と水の透過率とが異なる膜を使用してもよい。この場合、メタノールの透過率に対して水の透過率が2倍以上である透過膜を用いるのが好ましく、このような透過膜としては、一般的に直接メタノール形燃料電池の燃料極と空気極との間に設けられている固体高分子電解質膜を用いるのが好ましい。このように、供給燃料タンク5と燃料極21との間に上記透過膜を設けることで、メタノールよりも水が多く透過するため、供給燃料タンク5内のメタノール水溶液よりもメタノール濃度の低下したメタノール水溶液が燃料極21に供給される。このような透過膜は、1つのみ設けられていてもよいし、複数設けられていてもよい。
In the present embodiment, as a means for adjusting the methanol concentration, the concentration adjusting substance containing portion 3 filled with a host compound capable of forming a molecular compound with methanol has been described as an example. However, the present invention is not limited to this. For example, membranes having different methanol permeability and water permeability may be used. In this case, it is preferable to use a permeable membrane in which the water permeability is at least twice that of methanol. As such a permeable membrane, the fuel electrode and air electrode of a direct methanol fuel cell are generally used. It is preferable to use a solid polymer electrolyte membrane provided between the two. In this way, by providing the permeable membrane between the
また、濃度調整物質収容部3には、ホスト化合物に換えて、メタノール吸着能の高い吸着物質が充填されていてもよい。このような吸着物質が充填されていることで、濃度調整物質収容部3に供給されたメタノール水溶液中のメタノールが当該吸着物質に一時的に吸着されるため、燃料極21に供給されるメタノール水溶液のメタノール濃度を適正濃度に調整することができる。
In addition, the concentration adjusting substance storage unit 3 may be filled with an adsorbing substance having a high methanol adsorbing capacity instead of the host compound. Since such an adsorbing substance is filled, methanol in the aqueous methanol solution supplied to the concentration adjusting substance housing unit 3 is temporarily adsorbed by the adsorbing substance, so that the aqueous methanol solution supplied to the
さらに、濃度調整手段としては、ホスト化合物を充填する濃度調整物質収容部3、上記透過膜、吸着物質を充填する濃度調整物質収容部3を任意に組み合わせて用いてもよい。これらを組み合わせることにより、メタノール水溶液のメタノール濃度をより容易に調整することができる。 Further, as the concentration adjusting means, the concentration adjusting substance accommodating unit 3 filled with the host compound, the above-described permeable membrane, and the concentration adjusting substance accommodating unit 3 filled with the adsorbing substance may be used in any combination. By combining these, the methanol concentration of the aqueous methanol solution can be adjusted more easily.
なお、透過膜は、メタノールを選択的に捕捉することはできるが、メタノールを放出することはできないため、ホスト化合物を充填する濃度調整物質収容部3と併用することが好ましい。これにより、濃度調整物質収容部3に充填されているホスト化合物によりメタノールを包接しきれなかったような場合であっても、当該メタノールを透過膜により捕捉し、メタノール濃度を適正濃度に調整することができる。また、吸着物質は、ホスト化合物ほどのメタノール保持力がないため、吸脱着速度の速い吸着物質であれば、ホスト化合物を補助する手段として使用することができる。 Although the permeable membrane can selectively capture methanol but cannot release methanol, it is preferably used in combination with the concentration-adjusting substance containing unit 3 filled with the host compound. Thereby, even if it is a case where methanol could not be completely included by the host compound filled in the concentration adjusting substance housing part 3, the methanol is captured by the permeable membrane, and the methanol concentration is adjusted to an appropriate concentration. Can do. Further, since the adsorbing substance does not have the same methanol retention as the host compound, any adsorbing substance having a high adsorption / desorption rate can be used as a means for assisting the host compound.
このように、本実施形態に係る直接メタノール形燃料電池1は、ホスト化合物によりメタノール水溶液中のメタノール分子が包接されるため、燃料極21に供給するメタノール水溶液の濃度を適正濃度に容易に調整することができ、メタノール水溶液の濃度が適正濃度よりも低くなると、メタノール分子を包接したホスト化合物からメタノールが放出されるため、燃料極21に供給するメタノール水溶液の濃度を適正濃度に容易に調整することができる。これにより、従来の直接メタノール形燃料電池と比較して、長時間適正濃度のメタノール水溶液を供給し続けることができ、当該燃料電池を適正に運転し得る時間を延長することも可能である。
As described above, in the direct
〔第2の実施形態〕
本発明の第2の実施形態について図面に基づいて説明する。
図3は、本実施形態に係る直接メタノール形燃料電池の概略構成図であり、図4は、本実施形態に係る直接メタノール形燃料電池及び従来の直接メタノール形燃料電池におけるメタノール濃度の推移を示すグラフである。
[Second Embodiment]
A second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of the direct methanol fuel cell according to the present embodiment, and FIG. 4 shows the transition of the methanol concentration in the direct methanol fuel cell according to the present embodiment and the conventional direct methanol fuel cell. It is a graph.
本実施形態に係る直接メタノール形燃料電池10は、燃料極201、固体高分子電解質膜202及び空気極203を有する燃料電池セル20と、燃料極201に接するようにして設けられる燃料層30とを備える。なお、燃料極201、固体高分子電解質膜202及び空気極203を有する燃料電池セル20は、上記第1の実施形態のものと同様のものであればよい。
The direct
燃料層30には、高濃度メタノール水溶液が貯留される。燃料層30に貯留されるメタノール水溶液のメタノール濃度は、例えば、40〜100質量%であればよい。また、燃料層30には、メタノールが包接されていないホスト化合物50があらかじめ充填されている。燃料層30に充填されているホスト化合物としては、上記第1の実施形態におけるホスト化合物と同一のものでよい。
The
燃料層30におけるホスト化合物の充填量は、燃料極201に供給されるメタノール水溶液のメタノール濃度を適正濃度に調整することができる量であればよく、燃料層30に貯留されるメタノール水溶液のメタノール濃度や容量等に応じて適宜調整すればよい。
The filling amount of the host compound in the
このような直接メタノール形燃料電池10において、まず、燃料層30内にメタノール水溶液を充填する。燃料層30内にメタノール水溶液が充填されると、あらかじめ充填されているホスト化合物にメタノール水溶液中のメタノールが包接される。燃料層30内に充填されるメタノール水溶液のメタノール濃度は、適正濃度よりも高い濃度であるため(図4のグラフのA点)、メタノールがホスト化合物に包接されることで、燃料層30内のメタノール水溶液のメタノール濃度を適正濃度に調整することができる(図4のグラフのB点)。
In such a direct
直接メタノール形燃料電池10を継続的に運転すると、燃料層30中のメタノールは消費され、燃料層30中のメタノール水溶液のメタノール濃度が低下する。そうすると、メタノール包接化合物に包接されているメタノールがメタノール水溶液中に放出され、適正濃度のメタノール水溶液が燃料極201に供給されるようになる(図4のグラフのC点〜D点)。これにより、直接メタノール形燃料電池10を長期間安定的に運転することができる。
When the direct
直接メタノール形燃料電池10をさらに運転し続けると、燃料層30中のメタノールがすべて消費され、燃料極201に供給されるメタノール水溶液のメタノール濃度が徐々に低下し(図4のグラフのD点〜F点)、使用限界濃度を超えるまで直接メタノール形燃料電池1を適正に使用することができる(図4のグラフのE点)。
When the direct
一方、従来例の直接メタノール形燃料電池においては、燃料極に供給されるメタノール水溶液のメタノール濃度は、直接メタノール形燃料電池の運転に伴い低下していくため、直接メタノール形燃料電池の運転前半は、メタノール水溶液の濃度が適正濃度よりも高く(図4のグラフA点〜G点)、クロスオーバー現象が生じてしまい、運転後半は、メタノール濃度が適正濃度よりも低くなり(図4のグラフH点〜B点)、直接メタノール形燃料電池からの出力電力が不足することになる。 On the other hand, in the conventional direct methanol fuel cell, the methanol concentration of the aqueous methanol solution supplied to the fuel electrode decreases with the operation of the direct methanol fuel cell. The concentration of the aqueous methanol solution is higher than the proper concentration (points A to G in FIG. 4), and a crossover phenomenon occurs. In the latter half of the operation, the methanol concentration becomes lower than the proper concentration (graph H in FIG. 4). The output power from the direct methanol fuel cell is insufficient.
このように、本実施形態に係る直接メタノール形燃料電池10は、初期起動時から運転前半までは、メタノール水溶液のメタノール濃度を低下させて適正濃度に調整したメタノール水溶液を燃料極201に供給することができ、運転後半からは、メタノール水溶液のメタノール濃度を上昇させて適性濃度に調整したメタノール水溶液を燃料極21に供給することができるため、従来の直接メタノール形燃料電池に比して長時間適正な運転をすることができる。
Thus, the direct
以上説明したように、本実施形態に係る直接メタノール形燃料電池は、燃料電池に供給されるメタノールの濃度を、当該燃料電池の性能を最大限発揮し得る適正な濃度に容易に調整することができる。これにより、燃料であるメタノールを貯留するタンクの容量を大きくすることなく直接メタノール形燃料電池を適正に使用し得る期間を延長することができる。 As described above, the direct methanol fuel cell according to the present embodiment can easily adjust the concentration of methanol supplied to the fuel cell to an appropriate concentration that can maximize the performance of the fuel cell. it can. As a result, it is possible to extend the period during which the direct methanol fuel cell can be properly used without increasing the capacity of the tank for storing methanol as fuel.
以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。 The embodiment described above is described for facilitating understanding of the present invention, and is not described for limiting the present invention. Therefore, each element disclosed in the above embodiment is intended to include all design changes and equivalents belonging to the technical scope of the present invention.
本実施形態において、包接化合物(分子化合物)中のメタノール濃度が所定の値より低くなると、包接化合物からのメタノールの放出量が低下し、それに伴い直接メタノール形燃料電池1,10の性能も低下するため、例えば、燃料極21に供給されるメタノール濃度や直接メタノール形燃料電池1,10からの出力電力値を検出し、当該検出値に基づいてメタノール水溶液の高濃度燃料タンク7又は燃料層30への補充等を、直接メタノール形燃料電池1,10の使用者に対し知らせるようにしてもよい。
In the present embodiment, when the methanol concentration in the clathrate compound (molecular compound) becomes lower than a predetermined value, the amount of methanol released from the clathrate compound decreases, and accordingly the performance of the direct
1,10…直接メタノール形燃料電池
2,20…燃料電池セル(燃料電池本体)
3…濃度調整物質収容部(濃度調整部)
DESCRIPTION OF
3 ... Concentration adjusting substance container (concentration adjusting unit)
Claims (19)
メタノール水溶液の濃度を調整する濃度調整部と
を備え、
メタノール水溶液を前記濃度調整部に接触させることにより、当該メタノール水溶液の濃度の調整が可能である
ことを特徴とする直接メタノール形燃料電池。 A fuel cell body;
A concentration adjusting unit for adjusting the concentration of the aqueous methanol solution,
A direct methanol fuel cell, wherein the concentration of the aqueous methanol solution can be adjusted by bringing the aqueous methanol solution into contact with the concentration adjusting unit.
メタノール水溶液を前記濃度調整用物質収容部に供給し、メタノール水溶液を前記分子化合物に接触させることを特徴とする請求項1に記載の直接メタノール形燃料電池。 The concentration adjusting unit is a concentration adjusting substance containing unit filled with a molecular compound capable of selectively taking in methanol molecules,
2. The direct methanol fuel cell according to claim 1, wherein an aqueous methanol solution is supplied to the concentration-adjusting substance container, and the aqueous methanol solution is brought into contact with the molecular compound.
メタノール水溶液を前記吸着物質収容部に供給し、メタノール水溶液を吸着物質に接触させることを特徴とする請求項1に記載の直接メタノール形燃料電池。 The concentration adjusting unit is an adsorbing substance storage unit filled with an adsorbing substance having methanol adsorption ability;
2. The direct methanol fuel cell according to claim 1, wherein an aqueous methanol solution is supplied to the adsorbent containing portion and the aqueous methanol solution is brought into contact with the adsorbent.
メタノール分子を選択的に取り込むことのできる分子化合物を充填した濃度調整用物質収容部、メタノールの透過率と水の透過率とが異なる1又は2以上の透過膜、及びメタノール吸着能を有する吸着物質を充填した吸着物質収容部のうちの少なくとも2種類からなる濃度調整部と
を備え、
メタノール水溶液を前記濃度調整部に接触させることにより、メタノール水溶液の濃度の調整が可能である
ことを特徴とする直接メタノール形燃料電池。 A fuel cell body;
Concentration-adjusting substance container filled with a molecular compound capable of selectively taking in methanol molecules, one or more permeable membranes having different methanol permeability and water permeability, and an adsorbent having methanol adsorption ability A concentration adjusting unit consisting of at least two of the adsorbent containing units filled with
A direct methanol fuel cell, wherein the concentration of the aqueous methanol solution can be adjusted by bringing the aqueous methanol solution into contact with the concentration adjusting unit.
メタノール水溶液を濃度調整部に接触させることにより、メタノール水溶液のメタノール濃度を調整することを特徴とするメタノール濃度調整方法。 A method for adjusting the methanol concentration of an aqueous methanol solution supplied directly to a methanol fuel cell,
A method for adjusting methanol concentration, comprising adjusting a methanol concentration of an aqueous methanol solution by bringing the aqueous methanol solution into contact with a concentration adjusting unit.
Methanol aqueous solution for at least two kinds of molecular compounds capable of selectively taking in methanol molecules, one or more permeable membranes having different methanol permeability and water permeability, and adsorbents having methanol adsorption ability A method for adjusting the concentration of methanol in a direct methanol fuel cell, characterized in that the concentration of the aqueous methanol solution is adjusted by bringing the aqueous solution into contact with each other.
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